带喷射器的CO2双温冷冻系统、方法及其应用与流程

本发明涉及制冷技术领域，特别是涉及带喷射器的CO₂双温冷冻系统、方法及其应用。

背景技术：

我国超市大多还在用R22作为冷冻冷藏系统的制冷剂，而随着《蒙特利尔议定书》履约进程的加速以及基加利修正案的达成，面临着HCFCs加速淘汰的阶段。而随着欧美对HFCs的限制、削减和淘汰，更低GWP制冷剂的应用必然是未来的发展趋势。

在欧洲，CO₂作为一种环保的自然工质，已逐渐推广于超市制冷系统，其中能效比较高，应用较为广泛的是下图1所示制冷系统。此系统中，压缩机出口高温高压的制冷剂进入冷凝器被冷凝(亚临界循环)，然后被节流阀降温降压，进入气液分离器分离为饱和液体和饱和气体，饱和气体经节流阀降温后进入过冷器，与饱和液体换热，从而使液体过冷。过冷后的液体分流，经不同节流阀后分别进入中温蒸发器和低温蒸发器，低温蒸发器出口的制冷剂经低压压缩机升温升压后，与中温蒸发器出口制冷剂混合；换热后的气体与蒸发器出口的气体混合回到压缩机。进入主压缩机被升温升压，完成循环。

我国环境温度高于欧洲国家，如若将CO₂直接用于超市制冷系统中，CO₂未免会在超临界工况下运行，这样势必会造成节流阀节流过程的较大损失。

综上所述，现有技术中对于如何将CO₂工质应用至制冷系统中，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了带喷射器的CO₂双温冷冻系统，本发明增加了一个喷射器及控制回路，实现根据环境温度将带喷射器的系统与不带喷射器的系统的灵活切换，提高了系统的高效运行。

带喷射器的CO₂双温冷冻系统，包括喷射器及控制回路，在环境温度低于设定值时，通过调节控制回路，来自中温蒸发器和低压压缩机出口的气体混合后不进入喷射器，而是与来自过冷器出口的气体直接混合进入高压压缩机，此时系统工作在亚临界；

当环境温度高于设定值时，通过调节控制回路，自动切换为带喷射器运行，过冷器出口气体作为一次流进入喷射器，中温蒸发器和低压压缩机出口的气体混合后作为二次流进入喷射器，经喷射器混合后的气体进入高压压缩机继续循环。

进一步的，所述控制回路包括第一自动控制阀及第二自动控制阀，所述第一自动控制阀的一端连接至过冷器、一端连接至喷射器，第三端连接至喷射器与高压压缩机之间的管路上；

所述第二自动控制阀一端连接至喷射器、一端连接至中温蒸发器与低压压缩机的公共出口管路，第三端连接至喷射器与高压压缩机之间的管路上。

进一步的，所述第一自动控制阀及第二自动控制阀均与控制器相连，所述控制器根据检测的环境温度自动控制第一自动控制阀及第二自动控制阀的开关状态。

进一步的，所述系统不带喷射器时，所述高压压缩机连接至冷凝器。

进一步的，所述系统带喷射器时，所述高压压缩机连接至气体冷却器或气冷器。

进一步的，带喷射器的CO₂双温冷冻系统的工作方法，包括：

在环境温度低于设定值时，通过调节控制回路，来自中温蒸发器和低压压缩机出口的气体混合后不进入喷射器，而是与来自过冷器出口的气体直接混合进入高压压缩机，此时系统工作在亚临界；

当环境温度高于设定值时，通过调节控制回路，自动切换为带喷射器运行，过冷器出口气体作为一次流进入喷射器，中温蒸发器出口气体作为二次流进入喷射器，混合后的气体进入高压压缩机继续循环。

进一步的，所述设定值为根据具体的环境温度对比引入喷射器系统与不带喷射器的系统的COP值确定的。

进一步的，在环境温度低于设定值时，来自中温蒸发器和低压压缩机出口的气体混合后不进入喷射器，而是与来自过冷器出口的气体直接混合进入高压压缩机，压缩机出口高温高压的制冷剂进入冷凝器被冷凝成液态。

进一步的，当环境温度高于设定值时，过冷器出口气体作为一次流进入喷射器，中温蒸发器和低压压缩机出口的气体混合后作为二次流进入喷射器，喷射器出口的气体进入高压压缩机继续循环，压缩机出口高温高压的制冷剂进入气体冷却器被冷却。

进一步的，上述带喷射器的CO₂双温冷冻系统可应用至超市制冷系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明当环境温度低于设定值时，带喷射器的系统性能差于不带喷射器的系统，为保证系统一直处于高效运行，增设一个控制回路，由自动控制阀控制。在环境温度低于设定值时，来自中温蒸发器和低压压缩机出口的气体混合后不进入喷射器，而是与来自过冷器出口的气体直接混合进入高压压缩机，此时系统工作在亚临界。随着环境温度升高，当环境温度高于设定值时，系统自动切换为带喷射器运行。过冷器出口气体作为一次流进入喷射器，中温蒸发器和低压压缩机出口的气体混合后作为二次流进入喷射器，喷射器出口的气体进入高压压缩机继续循环。

2、本发明带喷射器的系统中，过冷器出口气体作为一次流进入喷射器，中温蒸发器和低压压缩机出口的气体混合后作为二次流进入喷射器，喷射器出口的气体进入高压压缩机继续循环，此过程可有效将过冷器出口气体的能量利用，从而减小压缩机耗功。

3、本发明应用至超市制冷系统是冷链物流中必不可缺的一部分，在商业制冷中占比很大。选用高效节能环保的超市制冷系统可有效缓解我国能源短缺的现状，有利于可持续发展。

4、本发明选用CO2作为制冷剂，其安全环保的特性使其逐渐成为替代制冷剂的必然选择之一，从长远来看，应用前景良好。

5、本发明引入喷射器增加系统能效比，一定程度上回收节流损失，使CO2在我国的使用变的更加高效。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为现有的欧洲国家应用较为广泛的超市制冷系统；

图2为本发明改进的带喷射器的CO₂双温冷冻系统；

图3(a)-图3(b)为本发明在超临界和亚临界工况下运行的压焓图；

图4带与不带喷射器系统COP对比示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在如何将CO₂工质应用至制冷系统中的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了带喷射器的CO₂双温冷冻系统。

本申请的带喷射器的CO₂双温冷冻系统设计参数见表1：

表1新型带喷射器的双温冷冻系统设计参数

本申请的一种典型的实施方式中，如图2所示，提供了带喷射器的CO₂双温冷冻系统，该带喷射器的CO₂双温冷冻系统中包括喷射器及控制回路，在环境温度低于设定值时，通过调节控制回路，来自中温蒸发器和低压压缩机出口的气体混合后不进入喷射器，而是与来自过冷器出口的气体直接混合进入高压压缩机，此时系统工作在亚临界；

当环境温度高于设定值时，通过调节控制回路，自动切换为带喷射器运行，过冷器出口气体作为一次流进入喷射器，中温蒸发器和低压压缩机出口的气体混合后作为二次流进入喷射器，喷射器出口的气体进入高压压缩机继续循环。

本实施例子中，上述带喷射器的系统中，换热后的气体进入喷射器工作喷嘴，作为一次流。中温蒸发器和低压压缩机出口的气体混合后的气体进入喷射器接收室，作为二次流，经喷射器混合增压后进入压缩机。此过程可有效将过冷器出口气体的能量利用，从而减小压缩机耗功。

上述喷射器结构简单，无活动部件，且不耗费能量，可有效回收节流功，增加系统能效比。

本申请的另一种典型的实施方式中，对带喷射器的CO₂双温冷冻系统模拟计算结果，用于验证本申请的上述系统的有效性。

其中，系统模拟计算时的简化假设包括：

(1)蒸发器出口为过热蒸汽，过热度为10℃。

(2)冷凝器或气冷器最小换热温差为3℃。

(3)压缩机选用的比泽尔CO₂压缩机，压缩机效率由压缩机型号和工作条件拟合而得。

(4)蒸发器出口蒸汽过热度为10℃。

(5)过冷器换热有效度ε＝0.8。

计算过程如下：

系统在超临界和亚临界工况下运行的压焓图如下图3(a)-图3(b)所示。上述图2中数字为各个状态点的标注，与下面的计算过程对应，计算时，由MATLAB编程运算。3点由环境温度确定温度和压力；4由中间压力确定；继而可以确定5点和8点状态；6点由节流阀节流程度确定；过冷器有效度可以确定9点和7点状态；中温蒸发器和低温蒸发器的蒸发温度可以确定10点和11点状态；蒸发器出口过热度可以确定12和13点状态；结合低压压缩机等熵效率可以得到14点状态；12点蒸汽和14点蒸汽混合得到15点状态；7点为一次流，15点为二次流，经喷射器混合扩压得到1点状态；结合高压压缩机等熵效率得到2点状态，至此，系统各点状态已经得到。

系统COP由下式计算得到：其中m_m为中温蒸发器制冷剂质量流量，m_l为低温蒸发器制冷剂质量流量，m为流经高压压缩机的制冷剂质量流量。

经计算，计算结果如下图4所示。

本申请的又一种典型的实施方式中，带喷射器的CO₂双温冷冻系统的工作方法：

引入喷射器对系统COP提升的百分比如下表2所示：

表2带与不带喷射器系统COP提升对比

由表2可以看出，当环境温度低于20摄氏度时，带喷射器的系统性能差于不带喷射器的系统，为保证系统一直处于高效运行，增设一个控制回路，由两个自动控制阀控制。在环境温度低于20摄氏度时，来自中温蒸发器和低压压缩机出口的气体混合后不进入喷射器，而是与来自过冷器出口的气体直接混合进入高压压缩机，此时系统工作在亚临界。随着环境温度升高，当环境温度高于20摄氏度时，系统自动切换为带喷射器运行。过冷器出口气体作为一次流进入喷射器，中温蒸发器出口制冷剂和低压压缩机出口制冷剂混合后，流入喷射器作为二次流，混合后的气体进入高压压缩机继续循环。

需要说明的是，在系统中如果不经过喷射器的情况下应该处于亚临界状态此时气体冷却器或气冷器又可以称为冷凝器。在跨临界运行时，称之为气体冷却器，气体冷却器简称气冷器。上述表中温度范围选择足以说明系统COP的变化趋势及系统的优劣，并不代表该系统只适应上述温度范围。

本申请的再一种典型的实施方式中，公开了带喷射器的CO₂双温冷冻系统的应用。超市制冷系统是冷链物流中必不可缺的一部分，在商业制冷中占比很大。选用高效节能环保的超市制冷系统可有效缓解我国能源短缺的现状，有利于可持续发展。

本申请选用CO₂作为制冷剂，其安全环保的特性使其逐渐成为替代制冷剂的必然选择之一，从长远来看，应用前景良好。

本系统引入喷射器增加系统能效比，一定程度上回收节流损失，使CO₂在我国的使用变的更加高效。

虽然引入喷射器会增加初期投入，但可以提高CO₂制冷系统的能效。从长期运行来看，CO₂制冷剂的泄露不会造成重大事故，且制冷剂充注价格低廉；该改进的系统还可有效节约电能，从而减少发电过程中温室气体的排放。

综上所述，本申请运行成本低，安全节能环保，是一种有效的减少超市制冷系统温室气体排放的系统，应用前景良好。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。